创新突破！三星首度采用长江存储专利技术引领行业新纪元

长江存储科技革新助力三星跨越升级，开启存储行业新时代

　　 据韩国媒体ZDNetKorea2月24日报道称，三星电子近日已与中国存储芯片制造商长江存储达成协议，获得用于开发堆叠超过400层NAND闪存所需的“混合键合”（HybridBonding）技术的专利许可，以期从其第10代（V10）NAND闪存产品（430层）起应用该专利技术进行生产。

　　 报道称，三星选择向长江存储获取“混合键合”专利授权，主要是因为长江存储在这一技术领域处于全球领先地位。三星经过内部评估后认为，从下一代V10 NAND开始，其产品设计已经不可避免地会受到长江存储专利的影响。 这一决定反映了长江存储在全球半导体行业的影响力不断增强，同时也显示出三星对技术创新和知识产权保护的重视。随着技术的进步和市场竞争的加剧，各公司之间的专利授权合作将成为常态，这不仅有助于推动技术的发展，也有助于维护市场的公平竞争秩序。

　　 3D NAND为何需要“混合键合”技术？

　　 在过去，传统的NAND闪存芯片制造工艺通常仅限于使用单个晶圆进行生产。在这一过程中，NAND阵列与CMOS电路的整合主要通过两种方式实现：一种是将CMOS电路置于NAND单元阵列的一侧，即CMOS Next to Array（简称CAN）；另一种则是将CMOS电路嵌入到NAND阵列之下，称为CUA（CMOS Under Array）。这种技术上的选择不仅反映了半导体行业对于提高存储密度和缩小芯片尺寸的不懈追求，同时也体现了在有限的空间内实现更高效能的技术挑战。 这样的技术路径选择显示了半导体产业在面对物理极限时所展现出的创新精神和技术灵活性。随着技术的发展，如何进一步优化这些设计以满足日益增长的数据存储需求，以及如何克服随之而来的技术障碍，将成为未来研究的重要方向。这不仅是对工程师智慧的考验，也是推动整个科技领域向前迈进的关键动力。

　　 大多数NAND Flash供应商在其初期的3D NAND工艺中采用了CAN（Channel-Architecture-Normal）方法，但在后续的工艺中逐渐转向了CUA（CMOS-under-Array）架构。值得注意的是，美光和Solidigm从一开始就选择了CUA架构，这在当时是非常具有前瞻性的决定。随后，三星和SK海力士也相继跟进，分别推出了COP（Cell-on-Periphery）和PUC（Peri-under-Cell）架构来替代原有的技术方案。这种技术路径的变化不仅反映了厂商对提高存储密度和性能的需求，同时也展示了整个行业在技术创新方面的竞争态势。 这一系列的技术转变表明，尽管传统方法如CAN仍然有其市场，但为了应对不断增长的数据存储需求以及对更高效率和更低成本的要求，半导体企业必须不断创新和改进。美光和Solidigm早期选择CUA架构的做法，显示了这些公司在技术研发上的敏锐度和前瞻性。而三星和SK海力士的跟进，则进一步证明了这一技术路径在业界的认可度。这种趋势不仅体现了技术进步的重要性，还突显了市场竞争中的关键角色。

　　 在传统的3D NAND架构中，外围电路通常占芯片总面积的20%到30%。然而，随着3D NAND技术的层数增加至128层甚至更高，外围电路所占的芯片面积可能会上升至50%以上，从而导致存储密度下降。此外，这种设计最多可支持300多层的NAND闪存，否则底部电路承受的压力可能会对其造成损害。

　　 为了解决这一问题，长江存储早在2018年推出了创新的Xtacking技术，引领了高堆叠层数的3D NAND制造逐步转向CBA（CMOS键合阵列）架构。这项技术的推出不仅体现了长江存储在技术创新方面的前瞻性，也标志着中国半导体行业在高端存储技术领域取得了重要突破。通过这种新的架构，长江存储有望大幅提升产品性能，降低成本，并增强在全球市场的竞争力。 这一举措显示了长江存储致力于通过自主研发的核心技术解决行业难题的决心。Xtacking技术的应用不仅有助于提升产品的可靠性和耐用性，还将促进整个产业链的发展，对国内乃至全球的半导体行业产生积极影响。

　　 △图片来源：YMTC

　　 CBA架构是通过分别在两片独立的晶圆上制造NAND阵列和外围CMOS逻辑电路，随后将CMOS逻辑电路层叠在NAND阵列之上。

　　 由于NAND晶圆和CMOS电路晶圆可以在不同的生产线上制造，因此可以利用各自最优化的工艺节点进行生产，这不仅能够缩短生产周期，还能降低制造复杂度和成本。此外，采用CBA架构可以使NAND芯片在每平方毫米的存储密度、性能和可扩展性方面得到显著提升。 这种生产模式显示了半导体行业在追求更高效率和更低制造成本方面的持续努力。通过分离不同组件的生产线，企业能够更灵活地调整生产工艺以满足各种需求，这无疑为未来的技术发展开辟了新的道路。同时，CBA架构的应用也为NAND技术的进步提供了有力支持，有望在未来推动存储设备性能实现重大突破。

　　 而对于采用CBA架构的NAND厂商来说，要想将分别用于制造NAND阵列和外围CMOS逻辑电路的两片晶圆进行完美的垂直互连，就必须要用到混合键合技术。

　　 当前混合键合技术主要分为两种类型，即晶圆对晶圆（Wafer-to-Wafer, W2W）和芯片对晶圆（Die-to-Wafer, D2W）。

　　 CBA架构的NAND存储器利用了W2W（Wafer-to-Wafer）混合键合技术，取消了传统的芯片连接中所必需的“凸点”（Bump），形成了间距在10微米或更小的互连结构。这种设计不仅让电路路径变得更加紧凑，还显著提升了I/O密度，从而大幅提高了数据传输速度，并降低了功耗。此外，由于减少了芯片内部的机械应力，产品整体的可靠性也得到了提升。 这样的技术创新无疑为半导体行业带来了新的发展契机。通过这种方式，CBA架构的NAND存储器不仅能够满足当前市场对于高速度、低功耗的需求，还可能引领未来的存储技术革新。随着技术的不断进步，我们有理由期待更多类似的创新应用，这将进一步推动整个行业的技术升级和性能优化。

　　 同时，由于堆叠层数越来越高，未来NAND Flash前端的集成也由原来的NAND阵列（Array）+CMOS电路层堆叠，转向NAND阵列+NAND阵列+CMOS电路层堆叠，因此也带来更多的“混合键合”需求。

　　 可以说，对于3D NAND厂商来说，要想发展400层以上的NAND堆叠，混合键合技术已经成为了一项核心技术。

　　 长江存储已建立技术优势

　　 作为首批采用CBA架构的3D NAND厂商，长江存储在2018年推出了自主研发的Xtacking技术，并在此方向上进行了大量投资。2021年，长江存储还与Xperi签署了关于DBI混合键合技术的专利许可协议。这些努力使得长江存储能够在短短几年内迅速缩小与国际顶尖厂商在NAND Flash技术上的差距。

　　 目前，长江存储自主研发的Xtacking技术目前已经更新至4.x版本，并且已成功实现160层、192层、232层产品的量产。据最新的研究报告显示，长江存储在今年早些时候还成功实现了2yy（预计为270层）3D TLC（三层单元）NAND的商业化。 

　　 尽管目前头部的3D NAND大厂都已经成功量产了200层以上的3D NAND，并且正在积极地推进300层3D NAND的量产，甚至已经开始向400层以上的技术迈进。 这一系列的技术突破不仅展示了存储芯片行业在垂直堆叠技术上的巨大进步，同时也预示着未来存储密度将会大幅度提升。随着这些更高层数的3D NAND闪存逐渐普及，我们有理由相信未来的设备将能够拥有更大的存储空间，同时保持相对较小的体积。这对于智能手机、笔记本电脑乃至数据中心等应用场景而言，无疑是一个巨大的福音。然而，随之而来的还有对生产成本和良品率的挑战，如何在保证高产量的同时降低制造成本，将是这些企业需要解决的关键问题。

　　 比如，2024年11月，SK海力士宣布即将开始量产全球最高的321层3D NAND。三星随后也宣布将在国际固态电路会议（ISSCC）上展示了新的超过400层3D NAND，接口速度为5.6 GT/s。但是，长江存储2yy 3D NAND 依然是目前已经商用的3D NAND产品当中堆叠层数最高、存储密度最高的。

　　 TechInsights指出：“长江存储的2yy3D NAND是我们在市场上见到的存储密度最高的NAND芯片”，“最关键的是，它成为业界首款位密度超过20Gb/mm²的3D NAND产品”。

　　 显然，尽管长江存储近年来面临诸多外部限制，但凭借自主研发的Xtacking技术，它仍然保持了行业领先地位。关键在于，长江存储率先采用了CBA架构，并实现了稳定的混合键合技术良率。在此过程中，长江存储在Xperi混合键合技术的基础上，积累了大量的自主研发的混合键合技术及其他3D NAND制造技术专利。

　　 在2023年11月，长江存储对美国的一家主要3D NAND芯片制造商提起诉讼，指控其侵犯了长江存储的8项3D NAND专利。这一举动不仅凸显了中国公司在半导体技术领域日益增长的实力，也表明了它们在全球市场上的竞争姿态。长江存储的这一法律行动无疑会引发业界对于知识产权保护的关注，并可能对全球半导体产业的竞争格局产生深远影响。随着科技领域的竞争愈发激烈，类似的专利纠纷可能会变得更加频繁，这要求所有参与者都必须更加重视技术创新和知识产权的保护。

　　 紧接着在2024年7月，长江存储再次向美国法院提起诉讼，指控美光侵犯其11项专利。这也在一定程度上反映了长江存储近年来在3D NAND领域的技术专利积累日益丰富。

　　 大厂转向CBA架构迟缓

　　 对于三星、对于SK海力士等传统3D NAND大厂而言，它们在单片晶圆生产方面拥有显著的技术和产能优势。然而，若要从单片晶圆生产转向CBA架构的两片晶圆生产，不仅需要投入大量资金用于建设新的洁净室和购置新设备，还需应对混合键合技术带来的良率难题，因此这些厂商转投CBA架构的动力并不强烈。

　　 作为从东芝半导体独立出来的铠侠，其是继长江存储之后首批采用CBA架构技术大规模生产3D NAND产品的主要制造商，但其基于CBA架构的第八代技术（BiCS8）的218层3D NAND产品要到2024年下半年才开始量产。

　　 SK海力士和美光虽然分别在2020年和2022年从Xperi（子公司Adeia）获得了混合键合技术的授权。然而，这两家公司都计划到2025年才开始量产基于CBA架构的300层以上的3D NAND闪存。相比之下，三星计划于2026年（最快可能在2025年底）推出基于CBA架构的第10代堆叠层数超过400层的V-NAND闪存。 可以看出，尽管SK海力士和美光已经拥有先进的技术授权，但它们在大规模生产高层数3D NAND闪存方面仍落后于三星。三星的技术路线图显示其在NAND闪存领域的领先地位，并且其在研发和生产方面的持续投入为它赢得了市场上的竞争优势。这种竞争态势或将推动整个行业加速技术创新和产品迭代。

　　 TechInsights 的 Jeongdong Choi 博士在最近接受记者采访时表示，“长江存储在如此短的时间内实施了超过 16 层和 232 层的层数，这令人惊讶。尽管面临设备采购上的限制，但似乎蚀刻、ALD（原子层沉积）工艺和翘曲预防工艺都得到了很好的优化。”

　　 相比之下，“三星从V10开始，采用三重堆栈，总共使用两个晶圆的混合键合。由于工艺转换和新设施投资等许多变化，制造成本必然比长期使用混合键合的长江存储高得多。”Jeongdong Choi解释道。

　　 难以规避的专利壁垒

　　 正因为三星、SK海力士等大厂转向CBA架构的迟缓，使得它们在面对已经在CBA架构3D NAND和配套的混合键合技术上已持续投入多年的长江存储时，将会不可不避免的面临专利方面的障碍。

　　 资料显示，当前混合键合技术的专利主要由Xperi、长江存储和台积电掌控。不过，Xperi专注于技术授权，台积电则侧重于逻辑芯片制造，因此长江存储在3D NAND研发过程中积累的混合键合技术专利对其他3D NAND制造商来说，可能会构成更大的挑战，使其难以规避。

　　 据ZDNet Korea报道，多位知情人士透露，三星已与长江存储达成“混合键合”技术专利许可协议。三星认为，在开发V10、V11和V12等后续代际的NAND Flash过程中，几乎无法避开长江存储的专利。

　　 按照三星的规划，他们希望最早在年底前开始量产V10，因此必须尽快在此之前解决相关的专利问题。

　　 所以，三星与长江存储签署的关于混合键合专利的许可协议，被视为一种通过合作加速技术发展的明智之举。此举不仅有助于双方在技术创新方面取得突破，还可能为整个半导体行业树立一个良好的合作范例。不过，目前还不清楚三星是否也从其他公司如Xperi那里获得了必要的专利许可。这一系列的合作动向显示了企业在面对技术挑战时，更倾向于寻求共赢的合作模式，而不是单打独斗。这种趋势对于推动整个行业的技术进步无疑是有益的。 这样的合作方式体现了企业间日益增强的合作意识，特别是在关键技术领域。通过共享专利和技术资源，不同企业能够更快地克服研发中的障碍，实现技术上的飞跃。然而，这也提醒我们，未来还需要更多类似的跨企业合作，尤其是在当前全球技术竞争激烈的背景下，只有携手共进才能实现更大的突破。

　　 对于长江存储而言，此次向三星这样的领先存储技术巨头授予专利许可，标志着中国存储产业历史上首次实现此类突破，充分体现了长江存储在3D NAND领域的技术创新能力。

　　 值得注意的是，在获得三星的认可之后，SK海力士等尚未开始量产CBA架构产品的3DNAND厂商未来或许也会考虑向长江存储申请“混合键合”专利的使用许可。